Warum erscheinen bewegte Objekte in Fotos verschwommen?

Wenn Sie mit den meisten Kameras ein Foto aufnehmen und ein sich bewegendes Objekt fotografieren, erscheint das Objekt verschwommen. Warum passiert das genau?

Zuerst werde ich darüber sprechen, was Kameras normalerweise tun, und dann darüber, wie sich Bewegung auf diesen Vorgang auswirkt.

Damit ein Bild scharf und scharf ist, muss alles Licht, das von einem einzelnen Punkt auf dem zu fotografierenden Objekt kommt, auf einen einzelnen Punkt auf dem Film oder Sensor fallen. Wenn Sie ein Gesicht fotografieren, möchten Sie, dass das gesamte vom linken Auge reflektierte Licht auf einen Teil des Bildsensors und das gesamte von der Nase reflektierte Licht auf einen anderen Teil fällt. Wenn das Bild unscharf ist, kann das Licht von verschiedenen Teilen des Gesichts auf dasselbe Sensorstück treffen, und das Licht von demselben Teil des Gesichts kann auf alle anderen Teile verteilt werden. Dies führt zu einem Bild, in dem jeder Teil des Gesichts mit den anderen Teilen verwechselt wird. Dies wird als verschwommenes Bild bezeichnet.

Wenn sich das Motiv bewegt, tritt eine ähnliche Unschärfe auf, da der Verschluss einer Kamera für einen bestimmten Zeitraum geöffnet ist. Stellen Sie sich vor, Sie machen ein Foto von einer Person und diese Person bewegt ihre Hand. Wenn der Verschluss zum ersten Mal geöffnet wird, lenkt die Kamera das Licht von der Person auf einen bestimmten Teil des Bildsensors. Da sich die Hand jedoch bewegt, wird Licht von der neuen Position der Hand von der Kamera auf einen anderen Teil des Sensors gerichtet. Die Kamera empfängt also Licht aus allen Positionen der Hand, während der Verschluss geöffnet ist. Dieses Licht aus verschiedenen Handpositionen gelangt auf verschiedene Teile des Sensors. Dies führt zu einem verschmierten Bild einer Hand, die den Bewegungspfad verfolgt.

Dies liegt daran, dass sich Ihr Motiv während der Belichtung relativ zum Kamerarahmen bewegt UND die Verschlusszeit nicht schnell genug ist, um es einzufrieren.

Auf die Details eingehen:

Die Verschlusszeit oder Belichtungszeit ist die Zeitspanne, in der der Film oder der digitale Sensor in der Kamera Licht ausgesetzt ist und der Verschluss einer Kamera beim Aufnehmen eines Fotos geöffnet ist. Die Lichtmenge, die den Film- oder Bildsensor erreicht, ist proportional zu Expositionszeit. Zum Beispiel: 1/500 Sekunde lässt halb so viel Licht herein wie 1/250. Wenn die Verschlusszeit langsam ist (dh unter 1/60 Sekunde), werden auf Fotos sogar relativ langsame Bewegungen angezeigt. Kurz gesagt, kurze Verschlusszeiten bewirken, dass die Bewegung in der Szene, die Sie fotografieren, eingefroren wird. Umgekehrt verwischen lange Verschlusszeiten die Bewegung in einer Szene.

Die folgende Tabelle zeigt, wie sich unterschiedliche Verschlusszeiten auf das Bewegungsgefühl auswirken, wenn Sie eine laufende Person fotografieren. Schnelle Verschlusszeiten frieren die Bewegung ein. Je länger die Verschlusszeit wird, desto unschärfer wird die laufende Person auf dem Foto.

Und lange Verschlusszeiten werden normalerweise durch unzureichendes Licht verursacht. Aus diesem Grund treten an sonnigen Tagen selten Probleme mit Bewegungsunschärfe im Freien auf.

Die Lösung:

Die Lösung besteht darin, die Verschlusszeit zu verlängern. Und oft ist der einzige Weg, dies zu tun, mehr Licht hinzuzufügen. Eine naheliegende Möglichkeit, dies zu tun, ist die Verwendung Ihres Blitzes. Wenn Sie tagsüber drinnen sind, können Sie auch einfach ins Freie gehen. Sie können die Verschlusszeit auch verlängern, indem Sie die Blende verringern (vergrößern). Eine größere Blende lässt mehr Licht herein und sorgt für kürzere Verschlusszeiten. Wenn Sie sich in Ihrer größten Blende befinden und immer noch nicht genügend Geschwindigkeit erhalten, können Sie versuchen, „schnelle“ Objektive zu erhalten (ein Objektiv mit einer größeren maximalen Blende, dh einer kleineren minimalen Blendenzahl): Glas mit Blendenstufen 2,8 oder breiter.

Sie können auch eine schnellere ISO-Einstellung versuchen.

Das gleiche passiert mit Ihren eigenen Augen, obwohl Ihr Gehirn sein Bestes versucht, es zu verbergen. Das grundlegende Problem hängt damit zusammen, wie das Bild überhaupt erstellt wird.

Das Sehen ist die Interpretation des sichtbaren Lichts, das von Objekten reflektiert wird (normalerweise können wir aktives Leuchten vorerst ignorieren). Um etwas zu sehen, muss es beleuchtet sein und dieses Licht anders reflektieren als seine Umgebung. Licht wird aus winzigen masselosen Teilchen gebildet, die Photonen genannt werden - den Trägern der elektromagnetischen Ladung. Wenn ein Photon in Ihrem Auge in die Netzhaut eindringt (oder in den Film einer Kamera oder in den Chip einer Digitalkamera), lagert es einen Teil seiner Energie in einem lichtempfindlichen Material ab und bewirkt eine Änderung, die gemessen und interpretiert werden kann . Durch die Messung der Reaktion des lichtempfindlichen Materials an vielen einzelnen Punkten rekonstruiert das Gehirn (oder der Chip) ein Bild Ihrer Umgebung.

Das Photon hat drei wichtige Eigenschaften - Energie, Position und Richtung. Mit ein wenig Geometrie und optischer Korrektur nutzt das Sehen die Richtung des Photons und den Ort, an dem es mit der lichtempfindlichen Oberfläche interagiert, um herauszufinden, woher das Photon stammt - ungefähr, welcher 3D-Punkt einem bestimmten 2D-Punkt auf dem Photon entspricht Bild. Die Energie bestimmt die Farbe eines bestimmten Photons. Die Idee ist, dass das Licht, das von dem Objekt kommt, das Sie sehen, ungefähr parallel ist, was die 3D-> 2D-Projektion trivial macht. Sie erhalten statische Unschärfen in einem Foto, wenn die optische Korrektur nicht ausreicht, um die Streuung der Photonen in der Luft zu kompensieren. Je größer der Abstand zu einem Objekt ist, desto stärker sind die reflektierten Photonen im Durchschnitt verteilt, und Sie benötigen mehr Korrekturen, um sie zu bringen zurück, um parallel zu sein.

Aber Bilder sind normalerweise nicht rein schwarz und weiß. Es gibt zwei andere Dinge, die für den Menschen wichtig sind - Farbe und Intensität. Farbe entspricht der Energie der Photonen, während Intensität der Menge der Photonen entspricht. Und hier wird es interessant - um ein nützliches Bild zu erhalten, müssen Sie große Mengen einzelner Photonen absorbieren - ein einzelnes Photon sagt Ihnen nicht wirklich viel. Was also tatsächlich passiert, ist, dass Sie (ungefähr) einen Durchschnitt von Photonen aufnehmen, die Ihren Sensor über einen bestimmten Zeitraum erreicht haben - dies gibt Ihnen die relative Helligkeit der Dinge im Bild zusammen mit einer guten Vorstellung von der Farbe der Objekte.

Menschliche Augen verursachen einige zusätzliche Komplikationen. Lassen Sie uns stattdessen eine Filmkamera im alten Stil verwenden. Der Film besteht aus einem Material, das sich permanent ändert, wenn es Licht ausgesetzt wird (denken Sie daran, was mit einem Papier passiert, das einige Monate in der Sonne liegt - aber viel schneller). Nehmen wir der Einfachheit halber an, dass das Originalmaterial perfekt schwarz ist, während das geänderte Material perfekt weiß ist. Jedes einzelne Photon bewirkt, dass sich ein einzelnes Molekül ändert, aber unsere Augen können die Farben einzelner Moleküle nicht sehen - sie mitteln die Informationen aus einem bestimmten Bereich. Je mehr Photonen in einem bestimmten Bereich des Films ankommen, desto heller erscheint er, entsprechend dem helleren Licht, das aus dieser bestimmten Richtung im Raum kommt (und damit dem gegebenen Raumvolumen, das beispielsweise Ihrem leuchtend roten T- entspricht. Hemd). Irgendwann jedochAlle Moleküle in einem bestimmten Bereich des Films werden verändert - eine weitere Beleuchtung kann ihn nicht mehr heller machen. Details gehen verloren, da die gesättigten Bereiche nicht heller werden und die gesättigten Bereiche dies nicht können. Auf der anderen Seite der Skala gibt es, wenn zu wenig Licht vorhanden ist, zu wenig Photonen, um ein anständiges Bild zu erzeugen - alles ist viel zu dunkel mit zufälligen hellen Flecken.

Um ein gutes Bild zu erhalten, müssen Sie die Zeit ausgleichen, in der Sie den Film dem Licht aussetzen. Zu lang und Ihr Bild ist zu hell und verliert an Kontrast. Zu kurz und es gibt nicht genügend Daten, um ein gutes Bild zu erhalten. Nebenbei bemerkt, dies ist der physikalische (im Gegensatz zum biologischen) Grund, warum Nachtsicht monochromatisch ist. Wenn zu wenige Photonen einfallen, führt ihre Farbverteilung zu einem (zufällig aussehenden) Farbrauschen, das es schwieriger macht sehen. Wenn Sie nur die Intensität verwenden, ohne die Farbe zu berücksichtigen, erhalten Sie ein klareres und helleres Bild.

Stellen wir uns also vor, Sie setzen ein Stück Film für eine Sekunde einer 3D-Szene aus. Die helleren Teile der Szene führen dazu, dass mehr Licht mit den entsprechenden Bereichen im 2D-Bild interagiert. Aber stellen Sie sich jetzt vor, dass der Typ in der Szene um 0,5 Uhr seinen Arm bewegt. In der ersten Hälfte der Belichtung befindet sich der Arm in der ursprünglichen Position, während in der zweiten Hälfte die Photonen nicht mehr von der ursprünglichen Position, sondern von der neuen Position empfangen werden. Die Gesamtmenge der von der Hand reflektierten Photonen ist dieselbe, sie sind jedoch jetzt auf zwei verschiedene Stellen im 2D-Bild verteilt. und gemittelt mit den Photonen, die aus dem Hintergrund kamen, als die Hand nicht da war. Wenn sich Ihre Hand mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, Die entsprechenden Photonen werden gleichmäßig über den Weg verteilt, den die Hand zwischen dem Beginn der Belichtung und dem Ende nimmt. Sie erhalten den Durchschnitt aller einzelnen "Bilder", als hätten Sie hundert Fotos von Menschen mit leicht unterschiedlichen Körperhaltungen gemacht und diese zusammen gemittelt.

Wie können Sie das bekämpfen? Wenn genügend Licht vorhanden ist, können Sie die Belichtung kurz halten. Dies bedeutet, dass sich das Objekt im Vergleich zu einer längeren Belichtung schneller bewegen muss, um sichtbare Unschärfen zu erzielen. Wenn nicht genügend Licht vorhanden ist, führt dies zu Rauschen (die einzelnen Photonen, die Sie messen, sind eher zufällig - sie haben nur eine vorhersehbare Verteilung über die Zeit; es reflektieren viel mehr rote Photonen von einem roten Hemd als beispielsweise grüne Photonen). Wenn Sie ein einzelnes sich bewegendes Objekt fotografieren möchten, können Sie versuchen, jegliche Relativbewegung zwischen Kamera und Objekt zu eliminieren - verfolgen Sie das Objekt. Menschen tun dies automatisch - Sie bewegen Ihre Augen und Ihren Kopf, um einem sich bewegenden Objekt zu folgen, das Sie untersuchen möchten. Dadurch erhalten Sie ein klares Bild des sich bewegenden Objekts und alles andere ist eine Unschärfe (die das Gehirn normalerweise bequem kompensiert, die Kamera jedoch nicht).

Die Objektive einer Kamera erzeugen sorgfältig ein Bild (normalerweise verkehrt herum) von dem, worauf Sie die Kamera auf einem Satz von Sensoren richten.

Diese Sensoren addieren das Licht, das auf sie scheint. Dann können sie gefragt werden: "Wie viel Licht hast du gesehen?" und zurücksetzen.

Normalerweise setzen wir diese Sensoren nur für kurze Zeit aus. Das Licht, das über diesen kurzen Zeitraum aus einer bestimmten Richtung kommt, ist letztendlich die Lichtmenge, die der jeweilige Sensor aufnimmt.

Die Sensoren werden dann auf Pixel in einem Bild abgebildet.

Wenn sich das Objekt relativ zur Zeit, in der wir die Sensoren belichten, schnell bewegt, nehmen die Sensoren am Rand des sich bewegenden Objekts zuerst "kein Objekt hier" und später "oh, hier ist ein Objekt" auf. Die Menge von "Objekt" gegenüber "kein Objekt" hängt davon ab, wie nahe Sie an der Objektkante sind und wie schnell sie sich bewegt.

Wenn das Objekt ein fester Farbblock und der Hintergrund eine andere Farbe ist, führt dies zu einem glatten Farbverlauf vom Hintergrund zur Objektfarbe am Rand des Objekts entlang der Bewegungsrichtung. Wir interpretieren dies als "Bewegungsunschärfe".

Objekte und Hintergrund sind größtenteils so unterschiedlich, dass wir sie erkennen können, auch wenn sie farblich nicht einheitlich sind.

Wir sehen dies nur manchmal, weil Kameras variieren, wie lange sie "offen bleiben", je nachdem, wie viel Licht vorhanden ist. Je weniger Licht, desto länger bleiben sie offen, desto stärker wird die Bewegungsunschärfe sein. Je schneller das Objekt ist, desto mehr verschwimmt es für eine bestimmte festgelegte "Offen bleiben" -Zeit.

Die moderne Informatik hat dieses Problem tatsächlich reduziert; Erstens durch Lichtempfindlichkeit der Sensoren und zweitens durch Nachbearbeitung. Viele Kameras erkennen eine gleichmäßige Bewegungsunschärfe (verursacht durch die Bewegung Ihrer Hand) und invertieren sie, nachdem das Bild aufgenommen wurde. Theoretisch kann dies sogar für ein einzelnes sich bewegendes Objekt in einer Szene durchgeführt werden, aber es ist hier schwieriger zu bestimmen, was ein Objekt ist und was nicht. Mir ist keine Kamera bekannt, die dies automatisch macht.

Wenn der Auslöser gedrückt wird, wird ein Bild der Außenwelt flüchtig auf den Bildsensor (oder Film) projiziert. Diese Aktion wird als "Belichtung" bezeichnet. Um Ihre Frage zu beantworten, müssen Sie wissen, dass während der Belichtung das projizierte Bild aufgezeichnet wird. Der entscheidende Punkt ist, dass der Bildsensor (oder Film) im Laufe der Zeit Lichtenergie ansammelt. Sollte sich das Bild während der Belichtung in irgendeiner Weise ändern, zeigt das aufgenommene Bild dies wahrscheinlich als Unschärfe. Wir versuchen, die Kamera so ruhig wie möglich zu halten, um diesen Flaum zu vermeiden. Zusätzlich versuchen wir, eine super kurze Verschlusszeit zu wählen. Auf diese Weise sind unsere Bilder Momente, die in der Zeit eingefroren sind.

Es gibt zwei Hauptarten von Unschärfe in Fotos (drei, aber ich gehe davon aus, dass Sie Ihre Kamera ziemlich sauber halten): Fokusunschärfe und Bewegungsunschärfe.

Fokusunschärfe tritt auf, wenn das Motiv Ihres Fotos einfach unscharf ist. Die Lösung besteht darin, sicherzustellen, dass Ihr Autofokus eingeschaltet ist, und es erneut zu versuchen. Wenn es unscharf ist, fokussieren Sie erneut und schießen Sie erneut. Ziemlich einfach. Bei Punkt- und Aufnahmekameras liegt der wahrscheinlichste Grund dafür, dass Sie unscharf sind, darin, dass sich das Motiv bewegt hat oder das intelligente Fokussiersystem nicht so intelligent und auf das falsche Objekt fokussiert war.

Bewegungsunschärfe tritt dagegen nicht auf, weil Ihr Motiv unscharf ist. Dies liegt daran, dass sich Ihr Motiv während der Belichtung relativ zum Kamerarahmen bewegt UND die Verschlusszeit nicht schnell genug ist, um es einzufrieren. Lassen Sie uns diese beiden Aspekte getrennt behandeln.

Die Lösung besteht also darin, die Verschlusszeit zu verlängern. Und oft ist der einzige Weg, dies zu tun, mehr Licht hinzuzufügen. Eine naheliegende Möglichkeit, dies zu tun, ist die Verwendung Ihres Blitzes. Wenn Sie tagsüber drinnen sind, können Sie auch einfach ins Freie gehen. Manchmal ist der Unterschied zwischen Schatten und Sonne das zusätzliche Licht, das Sie benötigen.